關于EMC電磁兼容的設計及測試技巧

針對當前嚴峻的電磁環(huán)境，從原理圖設計、PCB設計、元器件選型、系統(tǒng)布線、系統(tǒng)接地等方面逐步分析了電磁干擾的來源，總結了電磁兼容設計的要點。

目前，日益惡化的電磁環(huán)境使我們逐漸關注設備的工作環(huán)境和電磁環(huán)境對電子設備的影響，從設計開始，整合電磁兼容設計，使電子設備工作更加可靠。

電磁兼容性設計主要包括浪涌(沖擊)抗擾性、振鈴波浪涌抗擾性、電快速瞬變脈沖群抗擾性、電壓暫降、短時中斷和電壓變化抗擾性、工頻電源諧波抗擾性、靜電抗擾性、射頻電磁場輻射抗擾性、工頻磁場抗擾性、脈沖磁場抗擾性、傳導騷擾、輻射騷擾、射頻場感應傳導抗擾性等。

主要形式的電磁干擾：

電磁干擾主要通過傳導和輻射進入系統(tǒng)，影響系統(tǒng)工作，其他方法包括共阻抗耦合和感應耦合。

傳導：傳導耦合是指通過導電媒體將一個電網(wǎng)上的騷擾耦合到另一個電網(wǎng)上，這是一個較低部分（低于30mHz）。傳導耦合通常包括電源線、信號線、互連線、接地導體等。

輻射：通過空間將一個電網(wǎng)上的騷擾耦合到另一個電網(wǎng)上，這是一個更頻繁的部分（超過30MHz）。輻射通過空間傳輸，引入和產(chǎn)生的輻射干擾主要是由各種導線形成的天線效應。

共阻抗耦合：當兩個以上不同電路的電流通過公共阻抗時，它們會相互干擾。通過這種方式在電源線和接地導體上的騷擾電流引入敏感電路。

感應耦合：通過互感原理，將電信號傳輸?shù)揭粋€電路中，感應到另一個電路對其造成干擾。分為電感應和磁感應。

對于這些方式的干擾，我們應該采取相應的對策：過濾器（如我們設計的每個IC的標題電容器），減少天線效應（如接近地線的信號）。屏蔽和接地等措施可以大大提高產(chǎn)品抵抗電磁干擾的能力，也可以有效地減少外部電磁干擾。

電磁兼容設計：

對于新項目的研發(fā)設計過程，電磁兼容設計需要貫穿整個過程。考慮到設計中的電磁兼容設計，不會返工，避免重復研發(fā)，可以縮短整個產(chǎn)品的上市時間，提高企業(yè)的效率。

一個項目需要通過需求分析，從研發(fā)到投放市場。項目審批。項目總結設計。項目詳細設計。樣品試驗。功能測試。電磁兼容性測試。項目生產(chǎn)。投放市場等階段。

在需求分析階段，應進行產(chǎn)品市場分析。現(xiàn)場研究，挖掘項目有用信息，整合項目發(fā)展前景，詳細整理項目產(chǎn)品工作環(huán)境，現(xiàn)場調查安裝位置，安裝空間是否有限，工作環(huán)境是否特殊，是否有腐蝕。濕度。高溫等，周圍設備的工作，是否有惡劣的電磁環(huán)境，是否有限等設備，產(chǎn)品開發(fā)的成功是否能大大提高生產(chǎn)效率，或者是否能給人們的生活或工作環(huán)境帶來極大的便利，操作和使用是否容易被人們接受，這就要求項目產(chǎn)品滿足現(xiàn)場功能的需要。操作方便，最后整理詳細的需求分析報告，供需求評估。

經(jīng)企業(yè)內部相關負責人審核后，完善需求分析報告，然后進行項目審批。項目審批需要成立項目組，將軟件、硬件、結構、測試等人員安排到項目組，分配各自的職責。項目開發(fā)的下一階段是項目總體設計，將項目分解成多個功能模塊，利用WBS分解結構細化項目功能分解，根據(jù)工作量安排時間，安排具體人員。整理項目總體設計報告，對項目進行總體評價，確定電源類型、電源分布、電源隔離濾波模式、系統(tǒng)接地模式、產(chǎn)品屏蔽、產(chǎn)品結構屏蔽設計、屏蔽底盤外殼、信號類型分析、雷電、靜電、群脈沖等干擾。

產(chǎn)品概要設計報告出來后，應由相關人員進行評審，分析實施方法是否合理，實施方案是否可行。評審人員應提供評審報告。項目組結合評審報告修改概要設計后，進入產(chǎn)品詳細設計階段。本階段的內容包括原理圖設計。PCB設計。PCB采購和焊接。軟件編寫。功能調試，原理圖設計應考慮電磁兼容性的影響，增加板電源的濾波電容，增加信號接口部分的濾波電路，根據(jù)信號類型選擇合適的濾波電路。如果信號為低頻型號，應選擇低通濾波電路，計算適當?shù)慕刂诡l率，并選擇相應的電阻。電容器等。此外，接口部分設計了大電流泄漏電路和防雷裝置，以實現(xiàn)第三級防雷。

一、組件選型：

我們常用的電子設備主要包括有源設備和無源設備。有源設備主要指IC和模塊電路，無源設備主要指電阻、電容、電感等元件。以下是這兩種組件的選擇。介紹電磁兼容性中應考慮的問題。

EMC選型有源器件。

工作電壓寬的EMC具有良好的特性，工作電壓低的EMC具有良好的特性，在設計允許的范圍內延遲較大（通常速度較慢），靜態(tài)電流較小，功耗較小，貼片包裝設備的EMC性能優(yōu)于插件設備。

無源設備選型。

在我們的應用中，無源設備通常包括電阻、電容、電感等，對于無源設備的選擇，要注意這些元件的頻率特性和分布參數(shù)。

無源設備在某些頻率下會表現(xiàn)出不同的特性。有些電阻在高頻時具有電感特性，如線繞電阻、電解電容低頻特性好、高頻特性差、膜電容和瓷電容高頻特性好，但容量通常較小。考慮到溫度對部件的影響，根據(jù)設計原理選擇各種溫度特性的部件。

二、印刷板設計：

印刷板設計時，應考慮干擾對系統(tǒng)的影響，嚴格分離電路模擬部分和數(shù)字部分的電路，重點保護核心電路，包圍系統(tǒng)接地線，布線盡可能粗，電源增加濾波電路，采用DC-DC隔離，信號采用光電隔離，設計隔離電源，分析容易干擾的部分（如時鐘電路、通信電路等）和容易干擾的部分（如模擬采樣電路等）。對干擾元件采取抑制措施，對敏感元件采取隔離和保護措施，并在空間和電氣上拉開距離。在板級設計中，還應注意遠離印刷板邊緣的元件放置，有利于保護空氣放電。

采樣電路原理圖設計見圖1：

圖1.采樣電路設計

電路的合理布局可以減少干擾，提高電磁兼容性。根據(jù)電路的功能，分析各模塊的干擾源和敏感信號，進行特殊處理。

印刷板布線時，應注意以下幾個方面：

1.保持環(huán)路面積最小，如電源與地面之間形成的環(huán)路，減少環(huán)路面積，減少電磁干擾在電路上的感應電流，電源線盡可能靠近地線，減少模具差輻射的環(huán)路面積，減少干擾對系統(tǒng)的影響，提高系統(tǒng)的抗干擾性能。并聯(lián)導線緊密放置在一起，用粗導線連接，信號線靠近地平面布線可以減少干擾。在電源和地面之間增加高頻濾波器電容器。

2.盡量縮短導線長度，減少印刷板面積，減少導線干擾。

3.采用完整的地平面設計，采用多層板設計，鋪設地層，方便干擾信號泄漏。

4.遠離機箱面板、把手、螺釘?shù)瓤赡芊烹姷碾娮釉３滞鈿づc地面的良好接觸，為干擾提供良好的排放通道。處理敏感信號，減少干擾。

5.盡量使用貼片組件，貼片組件的電磁兼容性比直接插件要好得多。

6.在PCB與外界的連接處模擬和數(shù)字接地。

7.高速邏輯電路應靠近連接器邊緣，低速邏輯電路和存儲器應布置在遠離連接器的地方，中速邏輯電路應布置在高速邏輯電路和低速邏輯電路之間。

8.電路板上的印刷線寬度不得突變，拐角應為弧形，不得為直角或尖角。

9.時鐘線.信號線盡量靠近地線，線路不宜過長，以減少回路的環(huán)面積。

三、系統(tǒng)布線設計

印制板設計出來后，進行試制，焊接調試，系統(tǒng)裝機，考慮電磁兼容設計因素，機柜結構、線纜設計需要注意以下幾個方面：

1、機柜選用電磁屏蔽柜，具有良好的屏蔽性能，很好地對系統(tǒng)進行屏蔽，降低外界電磁干擾對系統(tǒng)的影響。

2、總電源進線選用屏蔽電源線，并加磁環(huán)，屏蔽層在進入機柜處360度接地。

3、對系統(tǒng)外部信號線選用屏蔽線，屏蔽層機柜入口處良好接地。

4、設備外殼就近接機柜，避免交叉。

5、系統(tǒng)設置隔離變壓器和ups，保證系統(tǒng)供應純凈電源。

6、嚴格將電源線和信號線分開，設備外殼的各個面之間和各個板子面板之間要良好接觸，接觸電阻要小于0.4歐，越小越好，保證設備外殼良好接大地，這樣在有靜電釋放時，不會影響到系統(tǒng)的正常工作。

四、系統(tǒng)接地設計

接地是最有效的抑制騷擾源的方法，可解決50%的EMC問題。系統(tǒng)基準地與大地相連，可抑制電磁騷擾。外殼金屬件直接接大地，還可以提供靜電電荷的泄漏通路，防止靜電積累。

1、地線的概念

安全接地包括保護接地和防雷接地。

保護接地為產(chǎn)品的故障電流進入大地提供一個低阻抗通道；

防雷接地提供泄放大電流的通路；

參考接地為產(chǎn)品穩(wěn)定可靠工作提供參考電平，為電源和信號提供基準電位。

安全接地是為了當出現(xiàn)一些電氣異常時，為大電流和高電壓提供一個泄放的回路，主要是對電路的一種保護措施。參考地主要是信號地和電源地，是保證電路實現(xiàn)功能的基礎。

2、接地方式

懸浮接地對一個獨立的與外部沒有接口的系統(tǒng)來說一般也沒有什么問題，但是如果該系統(tǒng)與其他的系統(tǒng)之間存著接口如通訊口和采樣線，那么懸浮接地很容易受到靜電和雷擊的影響，所以一般電子產(chǎn)品大多不采用懸浮接地。

單點接地當f《1MHz時可以選擇單點接地，可分為并聯(lián)單點接地和多級電路串聯(lián)單點接地兩種。

并聯(lián)單點接地：每個電路模塊都接到一個單點地上，每個單元在同一點與參考點相連。

多級電路的串聯(lián)單點接地：將具有類似特性的電路的地連接在一起，形成一個公共點，然后將每一個公共點連接到單點地。

多點接地當f》10MHz時會采用多點接地。設備中的電路都就近以接地母線為參考點。

單點接地各電路接在同一點，提供公共電位參考點，沒有共阻抗耦合和低頻地環(huán)路，但對高頻信號存在較大的地阻抗。多點接地為就近接地，每條地線可以很短，提供較低接地阻抗。1MHz~10MHz可根據(jù)實際需要選用哪種接地方法。

混合接地是綜合單點接地與多點接地的優(yōu)點，對系統(tǒng)中的低頻部分采用單點接地，對系統(tǒng)中高頻部分采用多點接地。

信號線屏蔽接地有高頻和低頻之分，高頻采用多點接地，低頻電纜采用單點接地。低頻電場屏蔽要求在接收端單點接地，低頻磁場屏蔽要求在兩端接地。多點接地，除在兩端接地外，并以3/20或1/10工作波長的間隔接地。

系統(tǒng)做到良好接地，才能有效的抑制電磁干擾，一個大的系統(tǒng)機柜首先要保證每個面接觸良好，接觸緊湊，其次是機柜內部設備要就近接地，避免二次干擾，就近泄放電磁干擾。接口屏蔽線要進行環(huán)接，再就近接機架。機柜下方設置接地銅排，系統(tǒng)總地線選用銅帶比較好，對電磁干擾進行很好的泄放，保證了系統(tǒng)的正常運行。

電磁兼容測試

系統(tǒng)功能測試，滿足現(xiàn)場功能需要后，進行電磁兼容測試，電磁兼容測試容易出問題是靜電、群脈沖、浪涌、射頻場傳導等

1、靜電放電抗擾度檢測

參與了幾個項目的靜電抗擾度檢測，對靜電有一定認識。靜電分為接觸放電和空氣放電，靜電是積累的高壓，當接觸到設備的金屬外殼時會瞬間放電，會影響到電子設備的正常工作，可能引起設備故障或重啟，在安全性要求較好的場合這是不允許的。

靜電會影響顯示效果，可能出現(xiàn)顯示閃爍或黑屏，影響正常顯示和操作。靜電還可能引起CPU工作異常，程序死機或重啟。

如果在產(chǎn)品詳細設計階段采用電磁兼容的相關設計，做靜電試驗不必過分擔心，通過設計，對靜電積累的電荷進行良好的泄放，不會影響系統(tǒng)的正常工作。

2、電快速瞬變脈沖群抗擾度檢測

電快速瞬變脈沖群是一系列的高頻高壓瞬變脈沖施加在設備上，觀察設備是否受到其影響。防護群脈沖主要的方法是“疏導”“堵”，“疏導”就是提供泄放回路，是干擾在進入系統(tǒng)之前，泄放至大地，良好的屏蔽層接地，可以泄放大部分動干擾，“堵”是使群脈沖濾除在設備之外，增加磁環(huán)，效果明顯，封閉磁環(huán)的效果好于對扣磁環(huán)，也可以將磁環(huán)加入到板級中，固定在印制板中，這樣使設備更可靠。

對電源線、信號線、通訊線兩端增加磁環(huán)，可以對群脈沖干擾進行防護。

3、雷擊浪涌抗擾度檢測

雷擊浪涌主要包含兩個方面，一個是電源防雷，一個是信號防雷。

電源防雷主要是針對系統(tǒng)級而言的，系統(tǒng)級設計要按照三級防雷設計，總電源進入端設置電源防雷（如OBO公司的V20-C/3-PH385），可以對系統(tǒng)的電源進行一級防護，電源經(jīng)過電源防雷后，進入隔離變壓器，隔離變壓器可以對電磁干擾信號進行較好的防護，抑制其對系統(tǒng)的影響。后進入UPS，UPS可以濾除一部分干擾信號，這樣電源再進入系統(tǒng)設備，電源是一種純凈的電源，可以使系統(tǒng)更好、更可靠的工作。

信號防雷是對系統(tǒng)的信號通路進行防護，主要涉及的是板級設計，在板級設計中增加防雷器件，如氣體放電管，增加TVS泄放回路，當有大電流時通過配套電阻和TVS、氣體放電管泄放，對后級電路起到保護作用。而后信號進行光電隔離，再進入系統(tǒng)，系統(tǒng)可以采集到一個穩(wěn)定的信號，使系統(tǒng)正常分析判斷，正常發(fā)出指令，正常工作。另一方面就是設計較寬的信號范圍，信號正常波動時，系統(tǒng)正常工作。